KR20160043700A

KR20160043700A - 강화유리 레이저 절단 장치

Info

Publication number: KR20160043700A
Application number: KR1020140138185A
Authority: KR
Inventors: 김춘택; 박경일; 오동훈
Original assignee: (주)유알시스
Priority date: 2014-10-14
Filing date: 2014-10-14
Publication date: 2016-04-22

Abstract

본 발명은 1회의 레이저빔의 조사로 강화유리를 절단할 수 있는 강화유리 레이저 절단 장치에 관한 것으로, 기계적인 브레이킹 공정을 전혀 사용하지 않을 뿐만 아니라 퀀칭(Quenching) 노즐을 사용한 쿨링 공정을 전혀 사용하지 않고, 강화유리 기판을 매우 신속하게 절단함과 동시에 절단면이 미려하다. 또, 강화유리 기판의 절단 시 칩핑(chipping)이나 파티클(particle)이 발생되지 않는다.

Description

강화유리 레이저 절단 장치{Laser cutting device for tempered glasss}

본 발명은 강화유리 레이저 절단 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 1회의 레이저빔의 조사로 절단면이 미려하도록 강화유리를 절단할 수 있는 강화유리 레이저 절단 장치에 관한 것이다.

최근의 전자통신기술의 눈부신 발전에 힘입어 이들 각종 모바일 단말기들의 기능이 급속도로 향상되고 있는데, 휴대전화를 일례로 들면 최근 들어 이의 기능은 인터넷 접속은 물론 디지털 카메라가 장착되어 사진 및 동영상의 촬영과 이의 무선전송이 가능하고, 메모리 확대에 의해 일정관리나 문서의 편집/저장과 같은 소형 데이터베이스의 기능을 갖춘 제품이 출시되고 있다. 한편, 이 같은 이동통신 단말기의 디스플레이 화면은 우수한 콘트라스트(contrast)와 색 재현성을 제공하며 대량생산이 가능한 액정표시장치(Liquid Crystal Display device : LCD)로 구성되며, 최근에는 유기발광다이오드(Organic Light Emitting Diodes : OLED)로 구성된다.

이러한 모바일 단말기(휴대폰, PDA), LCD TV, LCD 모니터, 네비게이션, MP3, PMP, 노트북 등과 같은 터치스크린 제품에 사용되는 디스플레이용 화면의 보호를 위해 보호필름이 사용되어 지고 있다. 디스플레이 제품을 사용하는 중에 화면에 문제가 발생하면 교체가 가능하지만, 비용이 많이 들고 번거롭기 때문에 이런 문제점을 최대한 방지하기 위해 보호필름을 많이 사용한다.

보호필름은 PVC, PE, 아크릴, PET 등의 수지로 된 플라스틱 재질의 투명기판 또는 필름이 사용되고 있지만, 이는 플라스틱 재질의 특성상 내열성 및 경도 등의 물성이 취약하고, 또한 최근에는 폴리우레탄 멀티코팅필름 등 더욱 강화된 플라스틱 보호필름이 출시되고 있지만, 이에 의하더라도 취약한 물성으로 인하여 소비자의 요구를 충족하지 못하고 있는 실정이다.

이를 해결하기 위하여, 박판의 강화 유리를 사용하게 되었으며, 강화 유리의 박판화와 강도증진이 다각도로 진행되고 있다. 강화 유리를 생산하는 방식은 물리적 강화와 화학적 강화로 구분될 수 있으며, 화학적 강화법은 이온교환을 통해 유리를 강화하는 것으로 박판유리와 복잡한 형상의 유리에 모두 강화 가능하며, 처리조작 중변형의 우려가 거의 없고 정밀도가 높다.

그리고, 강도면에서 물리적 강화보다 우수하며, 화학강화처리 후 절단 및 면취가공 등이 가능한 장점이 있다.

유리의 화학강화는 알칼리를 함유한 가열된 유리를 용융 염욕에 담그고, 유리와 용융염사이의 이온 교환을 통하여 유리 표면의 화학구성을 개변시키며, 이는 유리 표면에 압축층을 형성시켜 유리의 강도를 향상시킨다.

이러한 강화유리는 일반적으로 레이저를 이용하여 절단한다. 좀 더 상술하면, 초경도 휠로 기계적으로 마이크로 크랙을 형성하고, 레이저유닛으로 마이크로 크랙을 따라 레이저를 조사하여 가열한다. 그 다음에 냉각 장치를 이용하여 레이저가 조사된 스크라이빙 라인을 따라 냉각 유체를 분사하여 2차 크랙을 유발하여 절단하게 된다.

그러나, 상술한 바와 같은 화학적으로 강화된 유리를 종래 기술에 따른 레이저 절단 장치를 이용하여 절단할 경우, 강화 유리의 에지 부분이 손상되거나 또는 강화 유리가 파열되는 문제로 인하여 레이저를 이용하여 가공이 어렵다.

또, 절단면이 미려하지 못하고 거칠기 때문에 후가공이 필요하며, 이에 따라 공정시간이 길어지고 제품의 생산비용이 증대하는 문제점이 있다.

따라서, 화학적으로 강화처리 하기 전에 원하는 크기 또는 사용하려는 제품의 크기로 절단한 후에 강화처리하는 공정을 수행하는 방법도 있으나, 이러한 절단 공정의 한계로 인하여 사각형 등의 단순한 형태로 제작할 수밖에 없어 강화유리의 형태적 제약이 많은 단점이 있다.

또한, 절단 공정에 의해 유리 내에는 기계적 가공 등에 의한 변형 또는 스트레스(stress)가 존재할 수 있으므로 제품의 신뢰성에 나쁜 영향을 줄 수 있고, 절단 불량에 의해 폐기되는 부분이 있으므로 생산성이 떨어지는 문제점이 있다.

대한민국 특허 제10-1258403호

상기의 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명의 목적은, 1회의 레이저빔의 조사만으로 강화유리를 절단할 수 있고, 동시에 절단면이 미려하여 후가공이 불필한 강화유리 레이저 절단 장치를 제공하는 데에 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 강화유리를 절단하는 강화유리 레이저 절단 장치에 있어서, 레이저광을 조사하는 레이저 조사장치; 상기 레이저 조사장치로부터 조사된 레이저광을 집광하여 상기 강화유리 내부에 조사하는 초점조절부; 상기 레이저 조사장치와 상기 초점조절부를 이송시키는 이송장치; 및 상기 레이저 조사장치, 상기 초점조절부, 및 상기 이송장치를 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 초절조절부에 의한 상기 레이저광의 초점의 위치는 강화유리상면으로부터 초점거리(d1)의 깊이(㎛)에 위치하며, 상기 d1은,

을 만족하며, 여기서 d₀는 강화유리의 두께(㎛), t₁은 강화유리상면의 강화층두께(㎛), P는 레이저의 펄스에너지(μJ), v는 이송속도(㎜/s)인 것을 특징으로 하는 강화유리 레이저 절단 장치이다.

상기 강화유리상면의 강화층두께 t₁은, 40~80㎛인 것을 특징으로 한다.

또, 상기 강화유리의 두께 d₀는, 600~800㎛인 것을 특징으로 한다.

또, 상기 이송속도 v는, 50~70㎜/s인 것을 특징으로 한다.

또, 상기 P는 레이저의 펄스에너지 P는, 120~130μJ인 것을 특징으로 한다.

또, 상기 레이저의 주파수는 70~80㎑이고, 펄스시간은 250 ~ 250 ~ 800fs인 것을 특징으로 한다.

본 발명을 통하여, 기계적인 브레이킹 공정을 전혀 사용하지 않을 뿐만 아니라 퀀칭(Quenching) 노즐을 사용한 쿨링 공정을 전혀 사용하지 않고, 1회의 레이저빔 조사만으로 강화유리 기판을 매우 신속하게 절단함과 동시에 절단면이 미려하다. 또, 강화유리 기판의 절단 시 칩핑(chipping)이나 파티클(particle)이 발생되지 않는다.

또, 레이저빔을 이용하므로 절단라인이 곡선을 이루도록 절단하는 것이 가능하고, 강화유리가 곡면유리인 경우에도 절단이 가능하다.

따라서, 강화유리 기판의 절단 작업의 신뢰성을 대폭 향상시킬 수 있고, 강화유리 기판의 고속 절단이 가능할 뿐만 아니라 강화유리기판 절단장비의 제작 및 유지보수 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 강화유리 레이저 커팅장치의 개략도이다.
도 2는 도 1의 강화유리 레이저 커팅장치가 강화유리를 절단하는 모습을 도시한 사시도이다.
도 3은 도 1의 강화유리 레이저 커팅장치에 의해 미려하게 절단된 강화유리의 절단면 사진이다.
도 4는 도 1의 강화유리 레이저 커팅장치에 의해 상부면이 거치게 절단된 강화유리의 절단면 사진이다.
도 5는 도 1의 강화유리 레이저 커팅장치에 의해 하부면이 거치게 절단된 강화유리의 절단면 사진이다.

이하, 본 발명을 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 하기의 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하며, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 1에서 도면부호 100은 본 발명의 실시예에 따른 강화유리 레이저 절단장치를 지시한다.

상기 강화유리 레이저 절단장치(100)는, 레이저광을 조사하는 레이저 조사장치(102)와, 상기 레이저 조사장치(102)로부터 조사된 레이저광을 집광하여 상기 강화유리 내부에 조사하는 초점조절부(104)와, 상기 레이저 조사장치(102)와 상기 초점조절부(104)를 이송시키는 이송장치(미도시)와, 상기 레이저 조사장치(102), 상기 초점조절부, 및 상기 이송장치를 제어하는 제어부(108)를 포함하여 이루어진다.

절단하고자 하는 강화유리(10)는 유리층(12)의 상하에 강화층(14,16)을 가진다. 특히, 상기 강화유리(10)의 상측의 강화층(14)의 두께(t₁)은, 40~80㎛일 때, 본 발명이 적용될 수 있다. 그리고, 상기 강화유리의 두께(d₀)는, 600~800㎛인 것을 사용한다.

상기 레이저 조사장치(102)는, 나노초 단위의 펄스를 갖는 YAG 레이저나 엑시머 레이저나, 펄스 방사시간이 10^-15s 대인 펨토초(femto second) 레이저와 같은 공지의 레이저를 사용할 수 있다. 이 경우, 상기 레이저 조사장치(102)에 사용되는 레이저의 펄스에너지는 펄스에너지(P)는, 120~130μJ를 만족하고, 레이저의 주파수는 70~80㎑을 만족하며, 펄스시간(Laser pulse duration)이 250 ~ 800fs면 레이저의 종류의 제한은 없다.

그리고, 상기 초점조절부(104)는 집광을 위한 렌즈(106)가 내장되며, 상하로 움직이는 구동기구인 z축 모터에 의해, 상기 렌즈(106)에 의한 초점거리를 미세하게 조절할 수 있다.

그리고, 상기 레이저 조사장치(102)와 상기 초점조절부(104)는 이송장치(미도싱)에 의해 절단선(18)을 형성하도록 이송된다. 상기 이송장치는 공지의 기술을 사용할 수 있으며, 예를 들어 구동모터에 의해 회전하는 이송스크류와 상기 이송스크류에 나합하고, 상기 레이저 조사장치(102)와 상기 초점조절부(104)가 장착되는 새들을 포함하여 이루어질 수 있다.

이 때, 상기 이송장치는 강화유리(10)에 적절한 레이저빔의 에너지가 공급되도록 50~70㎜/s의 이송속도를 가진다.

상기 제어부(108)는 상기 이송장치 및 상기 레이저 조사장치(102)와 상기 초점조절부(104)와 전기적으로 연결되어, 모든 절단공정의 제어한다.

특히, 상기 제어부(108)는 상기 초절조절부(104)를 조절하여, 상기 레이저광의 초점의 위치는 강화유리상면으로부터 초점거리(d1)의 깊이(㎛)에 위치시킨다. 이 때, 상기 초점거리(d1)은 다음의 수학식에 의해 얻어질 수 있다.

[수학식 1]

여기서 d₀는 강화유리(10)의 두께(㎛), t₁은 강화유리상면의 강화층(15)의 두께(㎛)이다.

위와 같은 장치와 절단조건을 이용하면, 레이저빔을 1회 조사하는 것만으로, 크랙이나 치핑없이 강화유리(10)의 절단면을 미려하게 절단하는 것이 가능하다.

이하에서는 상기 강화유리 레이저 절단장치를 이용하여 강화유리를 절단한 시험예에 대해서 설명한다. 시험예는 표 1에 정리되는 바와 같다.

구분	강화유리 두께 d₀(㎛)	강화층두께t₁(㎛)	펄스에너지 P(μJ)	이송속도 v(㎜/s)	초점거리 d₁(㎛)	결과
시험예1	700	20	120	60	330	×
시험예2	700	40	120	60	330	○
시험예3	500	40	120	60	330	△
시험예4	600	40	120	60	330	○
시험예5	800	40	120	60	330	○
시험예6	900	40	120	60	330	×
시험예7	700	40	110	60	330	○
시험예8	700	40	100	60	330	×
시험예9	700	40	130	60	330	△
시험예10	700	40	140	60	330	△
시험예11	700	40	120	40	330	△
시험예12	700	40	120	50	330	○
시험예13	700	40	120	70	330	○
시험예14	700	40	120	80	330	×
시험예15	700	40	120	60	320	×
시험예16	700	40	120	60	350	○
시험예17	700	40	120	60	390	○
시험예18	700	40	120	60	400	×
시험예19	700	80	120	60	330	○
시험예20	700	90	120	60	330	△

위 표에서 ○는 절단되고 절단면이 우수, △는 절단되고 절단면 불량, ×는 절단안됨을 의미한다.

시험예1,2과 시험예19,20을 비교하면, 강화유리 가운데서도 강화층의 두께가 40㎛이상이고, 80㎛이하인 경우에 절단면이 미려하게 잘렸다. 특히, 두께가 40㎛보다 작은 경우에는, 강화유리(10)의 표면에서 레이저 빔이 반응 해 버리기 때문에 강화유리(10)의 내부로부터 크랙전파 유도가 발생할 수 없었다.

그리고, 시험예2~시험예6을 비교하면, 강화유리의 두께가 600~800㎛인 경우에는 미려하게 잘렸지만, 이보다 작은 경우에는 잘려지기는 하지만 절단면이 거칠고, 큰 경우에는 잘려지지 않았다.

시험예2와 시험예7~10를 비교하면, 레이저의 펄스에너지가, 120~130μJ에서는 강화유리(10)가 절단면이 깨끗하게 잘리지만, 이보다 작으면 잘려지지 않았고, 큰 경우에는 절단면이 거칠게 잘렸다. 즉, 펄스에너지가 부족하면 잘리지 않고, 에너지가 크면 절단면이 과열되어 녹아내리는 것으로 보인다.

시험예2와 시험예11~14를 비교하면, 이송속도가 50~70㎜/s에서는 미려하게 잘렸지만, 이보다 작은 경우에는 절단면이 녹아 거칠어졌고, 큰 경우에는 잘려지지 않았다.

시험예2와 시험예15~18를 비교하면, 초점거리가 330~390㎛에서는 미려하게 잘렸지만, 이보다 작거나 크면 잘려지지 않았다.

따라서, 각 절단조건마다 일정한 범위가 있으며, 이를 서로 연관시키면 수학식 1과 같은 범위를 가질 수 있다. 이 조건 내에 들어오면, 미려한 절단면을 가지는 강화유리(10)의 절단이 보장될 수 있다.

또, 레이저의 주파수 범위인 70~80㎑, 레이저 펄스시간 범위인 250 ~ 800fs를 벗어나면, 다른 조건과 상관없이 크랙이 발생하고 절단이 되지 않았다.

상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

10: 강화유리
12: 유리층
14: 상부강화층
16: 하부강화층
18: 절단선
100: 강화유리 레이저 절단장치
102: 레이저 조사장치
104: 초점조절부
106: 렌즈
108: 제어부

Claims

강화유리를 절단하는 강화유리 레이저 절단 장치에 있어서,
레이저광을 조사하는 레이저 조사장치;
상기 레이저 조사장치로부터 조사된 레이저광을 집광하여 상기 강화유리 내부에 조사하는 초점조절부;
상기 레이저 조사장치와 상기 초점조절부를 이송시키는 이송장치;
상기 레이저 조사장치, 상기 초점조절부, 및 상기 이송장치를 제어하는 제어부를 포함하고,
상기 초절조절부에 의한 상기 레이저광의 초점의 위치는 강화유리상면으로부터 초점거리(d1)의 깊이(㎛)에 위치하며,
상기 d1은,

을 만족하며,
여기서 d₀는 강화유리의 두께(㎛), t₁은 강화유리상면의 강화층두께(㎛), P는 레이저의 펄스에너지(μJ), v는 이송속도(㎜/s)인 것을 특징으로 하는 강화유리 레이저 절단 장치.
제1항에 있어서, 상기 강화유리상면의 강화층두께 t₁은, 40~80㎛인 것을 특징으로 하는 강화유리 레이저 절단 장치.
제1항에 있어서, 상기 강화유리의 두께 d₀는, 600~800㎛인 것을 특징으로 하는 강화유리 레이저 절단 장치.
제1항에 있어서, 상기 이송속도 v는, 50~70㎜/s인 것을 특징으로 하는 강화유리 레이저 절단 장치.
제1항에 있어서, 상기 P는 레이저의 펄스에너지 P는, 120~130μJ인 것을 특징으로 하는 강화유리 레이저 절단 장치.
제1항에 있어서, 상기 레이저의 주파수는 70~80㎑이고, 펄스시간은 250 ~ 250 ~ 800fs인 것을 특징으로 하는 강화유리 레이저 절단 장치.